Les lumières clignotantes d’un essaim de lucioles incarnent dans la nature ce que les mathématiques ont prédit

Imaginez une forêt ancienne dans la lumière déclinante d’un soir d’été. Alors que les derniers rayons du soleil disparaissent sous l’horizon, un petit éclair attire votre attention.

Vous vous retournez, retenez votre souffle ; il clignote à nouveau, planant à 2 pieds au-dessus de la litière de feuilles. De l’autre côté de la clairière sombre, une réponse fugace. Puis un autre, et un autre, et en quelques minutes des lucioles scintillantes se sont répandues dans les bois tranquilles.

Au début, ils semblent désorganisés. Mais bientôt apparaissent quelques couples coordonnés, petits tandems clignotant sur le même tempo deux fois par seconde. Les paires fusionnent en triades, quintuplées, et soudain toute la forêt vibre d’un rythme commun et scintillant. L’essaim a atteint la synchronisation.

Les congrégations Firefly sont des événements tentaculaires de speed-dating. Les flashs transmettent un dialogue de parade nuptiale entre les mâles publicitaires et les femelles sélectives. Façonnés par l’interaction de la compétition et de la coopération entre des milliers de lucioles en interaction, des motifs lumineux collectifs émergent, des analogues scintillants aux murmures des volées d’oiseaux qui fondent ensemble. Le phénomène mystificateur de certaines lucioles’ la synchronisation flash intrigue les scientifiques depuis plus d’un siècle.

La synchronie est omniprésente dans tout l’univers, des nuages ​​d’électrons aux cycles biologiques et aux orbites planétaires. Mais la synchronie est un concept complexe avec de nombreuses ramifications. Il englobe diverses formes et formes, généralement révélées par les mathématiques et explorées plus tard dans la nature.

Prenez l’essaim de lucioles. Attendez encore un peu et parmi le refrain illuminé, quelque chose d’autre apparaît : Quelques clignotants discordants font sécession et continuent à contre-temps. Ils clignotent au même rythme mais gardent un retard résolu avec leurs pairs conformistes. Serait-ce la preuve d’un phénomène prédit par des équations mathématiques mais jamais vu auparavant dans la nature ?

Synchronie, avec une torsion

Il y a vingt ans, en approfondissant les équations qui forment la trame de la synchronie, les physiciens Dorjsuren Battogtokh et Yoshiki Kuramoto remarqué quelque chose de particulier. Dans des circonstances spécifiques, leurs solutions mathématiques seraient décrire un ensemble ambivalentmontrant une synchronie généralisée entrecoupée de certains constituants erratiques et flottants.

Leur modèle reposait sur un ensemble d’horloges abstraites, appelées oscillateurs, qui ont tendance à s’aligner sur leurs voisines. L’état non uniforme était surprenant, car les équations supposaient que tous les oscillateurs étaient parfaitement identiques et connectés de la même manière aux autres.

La rupture spontanée de la symétrie sous-jacente est quelque chose qui dérange généralement les physiciens. Nous chérissons l’idée qu’un certain ordre dans le tissu d’un système devrait se traduire par un ordre similaire dans sa dynamique à grande échelle. Si les oscillateurs sont indiscernables, ils doivent soit tous se synchroniser, soit tous rester chaotiques et ne pas montrer de comportements différenciés.

Il a piqué la curiosité de beaucoup, y compris des mathématiciens Daniel Abrams et Steven Strogatzqui nommé le phénomène « chimère. » Dans la mythologie grecque, la Chimère était un monstre hybride composé de parties d’animaux incongrus, un nom approprié pour un méli-mélo de groupes d’oscillateurs dépareillés.

Au début, les chimères étaient rares dans les modèles mathématiques, nécessitant un ensemble très spécifique de paramètres pour se matérialiser. Au fil du temps, apprenant où repérer, les théoriciens ont commencé à les découvrir dans de nombreuses variantes de ces modèles, les qualifiant de « respirant », « tordu », « multicéphale » et d’autres épithètes étranges. Pourtant, il restait mystérieux si ces chimères théoriques étaient également possibles dans le monde physique – ou simplement un mythe mathématique.

Une décennie plus tard, quelques expériences ingénieuses mises en place dans des laboratoires de physique ont donné les chimères insaisissables. Ils impliquaient des réseaux d’interactions finement réglés entre des oscillateurs sophistiqués. Tout en prouvant que l’ingénierie de la coexistence de la cohérence et de l’incohérence était une entreprise délicate, mais possible, ils ont laissé la question plus profonde sans réponse : les chimères mathématiques pourraient-elles aussi exister dans le monde naturel ?

Il s’est avéré qu’il faudrait un minuscule insecte luminescent pour les éclairer.

Chimère au milieu du chœur clignotant des lucioles

En tant que post-doc dans le Laboratoire Peleg à l’Université du Colorado, je travailler à déchiffrer fonctionnement interne des essaims de lucioles. Notre approche s’appuie sur les fondations d’une niche peu connue de la physique moderne : comportement collectif des animaux. En termes simples, l’objectif primordial est de révéler et de caractériser des modèles à grande échelle spontanés et non supervisés dans la dynamique des groupes d’animaux. Nous étudions ensuite comment ces modèles auto-organisés émerger à partir d’interactions individuelles.

Notre dernière étude est publiée dans Avancées scientifiques.

Conseillés par des experts avertis en luciole, mes collègues et moi avons traversé le pays en voiture pour Parc national de Congaree en Caroline du Sud pour chasser Photuris frontalis, l’une des rares espèces nord-américaines connu pour synchroniser. Nous installons nos caméras dans une petite clairière au milieu des pins à encens. Peu de temps après que les premiers scintillements ont percé le crépuscule, nous avons observé une synchronie très rythmée, précise, apparemment aussi propre que prédite par les équations.

Ce fut une expérience enchanteresse, mais qui m’a laissé réfléchir. Je craignais que cet affichage soit trop ordonné pour nous permettre d’en déduire quoi que ce soit. Les physiciens apprennent des choses en regardant leurs fluctuations naturelles. Ici, il semblait y avoir peu de variabilité à étudier.

La synchronisation se manifeste dans les données sous la forme de pics aigus dans le graphique du nombre de flashs au fil du temps. Ces pics indiquent que la plupart des éclairs se produisent au même instant. Quand ce n’est pas le cas, la trace semble irrégulière, comme des gribouillis. Dans nos intrigues, je n’ai d’abord rien vu d’autre que le motif en forme de peigne sans faille d’une synchronie impeccable.

Il s’est avéré que la chimère se cachait à la vue de tous, mais j’ai dû parcourir plus loin les données pour la rencontrer. Là, entre les pics du chœur léger, quelques pics plus courts indiquaient des factions plus petites synchronisées entre elles mais pas avec le groupe principal. Je les ai appelés « personnages ». Avec le refrain synchronisé, ces personnages incongrus forment la chimère.

Comme dans le théâtre grec antique, le chœur définit l’arrière-plan tandis que les personnages créent l’action. Les deux groupes sont entrelacés, parcourant la même scène, comme nous l’avons révélé à partir de la reconstruction tridimensionnelle de l’essaim. Malgré le clivage de leur rythme, leur dynamique spatiale apparaît indiscernable. Les personnages ne semblent pas se rassembler ou se suivre.

Cette auto-organisation entremêlée de manière inattendue soulève encore plus de questions. Les personnages de l’essaim décident-ils consciemment de se détacher, peut-être pour signaler leur émancipation ? Ou se retrouvent-ils spontanément piégés en décalage ? Les connaissances mathématiques peuvent-elles éclairer la dynamique sociale en jeu chez les coléoptères lumineux ?

Contrairement aux oscillateurs abstraits dans les équations mathématiques, les lucioles sont des êtres cognitifs. Ils intégrer des informations sensorielles complexes et le traiter via un pipeline de prise de décision. Ils sont aussi constamment en mouvement, former et rompre des liens visuels avec leurs pairs. Les modèles mathématiques rationalisés ne capturent pas encore ces complexités.

Dans les bois calmes, les flashs synchronisés et leurs homologues dissonants ont peut-être illuminé un trésor de nouvelles chimères à chasser pour les mathématiciens et les physiciens.

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